霍金的第一大理論便是“奇點(diǎn)定理”。1965年，當(dāng)時(shí)博士還沒畢業(yè)的霍金準(zhǔn)備找一個(gè)博士論文題目，結(jié)果他看到了英國物理學(xué)家羅杰-彭羅斯發(fā)表的一篇關(guān)于黑洞的論文。黑洞是一種引力極大的天體，引力大到連光都無法逃脫，研究認(rèn)為，大質(zhì)量恒星在生命的盡頭，恒星內(nèi)核會(huì)因?yàn)橐Χs，發(fā)生超新星爆發(fā)，所殘留的部分便是黑洞。黑洞的表面被稱為“事件視界”，掉入事件視界以內(nèi)的任何物質(zhì)都無法逃離出來。同時(shí)，這些物質(zhì)或光會(huì)被強(qiáng)大的引力壓縮到位于黑洞中心的、密度無窮大的一個(gè)點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)被稱為“奇點(diǎn)”。令人難以理解的是，一切已知的物理理論在奇點(diǎn)處都會(huì)失效，其中也包括相對(duì)論。于是科學(xué)家猜測(cè)，實(shí)際上可能并不存在所謂的奇點(diǎn)。不過彭羅斯卻在這篇論文中嚴(yán)密地證明:一旦形成事件視界，在視界內(nèi)部必然會(huì)產(chǎn)生一個(gè)奇點(diǎn)。

博士時(shí)代的霍金

彭羅斯

讀了彭羅斯的論文后，霍金敏銳地意識(shí)到，如果時(shí)間反演的話，那么彭羅斯的證明其實(shí)也同樣適用于宇宙的開始。我們知道，現(xiàn)在的宇宙依然在不斷膨脹，如果時(shí)間能夠倒流的話，那么可以想象，現(xiàn)在的宇宙會(huì)不斷縮小，最終坍縮為一個(gè)密度無窮大的點(diǎn)。就這樣，通過將時(shí)間反演，霍金從數(shù)學(xué)上證明了，根據(jù)廣義相對(duì)論，宇宙誕生時(shí)也必然存在一個(gè)奇點(diǎn)，這就是奇點(diǎn)定理。

是不是感覺太簡(jiǎn)單了，別慌，霍金的第二大理論我估計(jì)你就聽不懂了，因?yàn)槲覊焊驼f不明白，這就是“無邊界假說”。剛才說到，如果只是根據(jù)廣義相對(duì)論考慮的話，那么宇宙必定誕生于一個(gè)奇點(diǎn)，雖然證明沒什么問題，但是奇點(diǎn)的存在卻給物理學(xué)家?guī)砹藷o盡的煩惱，原因就在于在奇點(diǎn)處，廣義相對(duì)論會(huì)失效，也就是說，我們永遠(yuǎn)也無法弄清楚在宇宙誕生的瞬間到底發(fā)生了什么。那么該怎么辦呢?霍金想到了量子論。量子論研究的是微觀物理世界的基本規(guī)律，而奇點(diǎn)正是這樣一個(gè)極其微小的點(diǎn)，于是，霍金深入貫徹落實(shí)將量子論與廣義相對(duì)論結(jié)合起來的指導(dǎo)方針，開展了有關(guān)宇宙起源的研究。

根據(jù)量子論，微觀粒子具有類似波的性質(zhì)，這種粒子的狀態(tài)就是所謂的“波函數(shù)”。霍金利用波函數(shù)表示坍縮成極其微小的宇宙整體，從而研究了宇宙的規(guī)律。利用波函數(shù)來研究宇宙規(guī)律，有一個(gè)前提，那就是首先必須確定波的另一端，也就是宇宙的另一端是怎樣的，而在這里，宇宙的邊界便是指宇宙的開始。于是，霍金提出了一個(gè)具有劃時(shí)代意義的猜想，他認(rèn)為，宇宙的邊界條件就是宇宙沒有邊界，這樣一來，就可以去除掉宇宙誕生時(shí)所必須存在的奇點(diǎn)。

好了問題來了，宇宙沒有邊界這句話到底是什么意思呢?霍金認(rèn)為，宇宙之初流逝的并不是普通的時(shí)間，而是虛數(shù)時(shí)間。我們知道，虛數(shù)的平方是負(fù)數(shù)，當(dāng)然了雖然我們了解這一點(diǎn)，但虛數(shù)時(shí)間是什么卻說不清，總之，如果是這種特殊時(shí)間的話，那么就沒有時(shí)間與空間的區(qū)別，也就無從得知到底哪里是邊界，這就是無邊界假說?；艚鹫J(rèn)為，宇宙始于時(shí)間與空間沒有任何區(qū)別的狀態(tài)，當(dāng)普通的時(shí)間，也就是實(shí)數(shù)時(shí)間在某一時(shí)刻開始流逝之后，宇宙才開始了急劇膨脹，并最終形成了我們今天的宇宙。是不是沒聽懂，沒聽懂那就對(duì)了，我都不知道我剛才說了什么。沒聽懂也不要緊，你反復(fù)仔細(xì)琢磨幾次，琢磨琢磨就睡著了。

霍金的第三大理論便是大名鼎鼎的“霍金輻射”。前面說過，按照過去的理論，物質(zhì)一旦掉入黑洞，就再也無法逃逸出來。所以人們都認(rèn)為，黑洞的質(zhì)量只能不斷增加，它的欲望是無窮的。不過霍金卻認(rèn)為，如果應(yīng)用量子論的話，黑洞有可能釋放出光子等各種粒子而喪失質(zhì)量，就像一杯水一樣，最終它會(huì)蒸發(fā)消失。那么為什么會(huì)這樣呢?還得靠量子論來解釋。

量子論認(rèn)為，宇宙空間中并非空無一物，即便是在去除所有物質(zhì)與電磁波的真真空中，也蘊(yùn)藏著巨大的能量，而且能量還在不斷地漲落。如果在基本粒子水平的微觀尺度上觀察真空的話，粒子借助于能量漲落，時(shí)時(shí)刻刻都在成對(duì)地生成與成對(duì)地湮滅。

而在黑洞表面附近，同樣的事情自然也在發(fā)生。不過情況還稍有不同，那就是粒子對(duì)中的一個(gè)會(huì)進(jìn)入事件視界的內(nèi)側(cè)，并不斷地墜向黑洞的中心，此時(shí)的它就再也無法與它的基友相遇了。這樣一來，剩下的一個(gè)粒子就會(huì)失去湮滅的對(duì)象，于是這哥們就向黑洞外側(cè)逃逸，看上去就像是黑洞向外發(fā)射粒子，這就是所謂的“霍金輻射”。

霍金輻射

此時(shí)，墜入事件視界內(nèi)的粒子由于受到巨大引力的影響而獲得“負(fù)能量”，剩下的另一個(gè)粒子則獲得正能量。根據(jù)質(zhì)能方程，能量與質(zhì)量在本質(zhì)上是相同的，是可以相互轉(zhuǎn)換的，所以，吞噬了攜帶負(fù)能量粒子的黑洞就會(huì)減少相應(yīng)的質(zhì)量，一點(diǎn)點(diǎn)地將自己蠶食殆盡。

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